DD237900A1 - Druckaufnahmeeinheit in messumformern fuer medien mit erhoehten sicherheitsanforderungen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Druckaufnahmeeinheit in Messumformern fuer Medien mit erhoehten Sicherheitsanforderungen, wie z. B. Sauerstoff. Aufgabengemaess soll durch geeignete konstruktive Massnahmen der gefahrlose Einsatz von Silikonoel als Uebertragungsfluessigkeit ermoeglicht werden, ohne dass eine wesentliche Verschlechterung der messtechnischen Eigenschaften eintritt. Erfindungsgemaess wird das dadurch erreicht, dass als Trennmembran eine Doppellagentrennmembran eingesetzt wird, die aus jeweils zwei Lagen duenner Metallmembranen besteht, zwischen denen sich eine den Reibwert beider Lagen aneinander herabsetzende Zwischenschicht befindet. Die Ausdrehungen in den Messwerksdeckeln sind so gestaltet, dass sich im Falle der Zerstoerung einer Trennmembran und des Druckwandlers die gegenueberliegende Trennmembran ohne mechanische Zerstoerung an den Messwerksdeckel anlegt. Die Druckeinleitung des Mediums in die Messkammer erfolgt ueber eine im Messwerksdeckel vorgesehene Drosselstelle. Eine weitere Drosselstelle ist im Membrantraeger vorgesehen, ueber die die Druckeinleitung in das Messwerksinnere erfolgt.

Description

Hierzu 1 Seite Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Druckaufnahmeeinheit in Meßumformern für Medien mit erhöhten Sicherheitsanforderungen, z. B. wie Sauerstoff und leicht entflammbare Medien. Derartige Meßumformer werden speziell in Chemieanlagen zum Messen von Prozeßgrößen, die sich auf einen Druck bzw. Differenzdruck zurückführen lassen, eingesetzt.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Als gegenwärtiger Stand der Technik sind Meßumformer bekann^bei denen durch dünne Metallmembranen das Medium in den Meßkammern von der Druckübertragungsflüssigkeit (Silikonöl) im Meßwerksinneren getrennt wird. Handelt es sich um Medien, die erhöhte Sicherheitsforderungen bedingen, wie Sauerstoff oder leicht entflammbare Medien, dann stellen diese Meßumformer wegen der Möglichkeit der Zerstörung der dünnen Trennmembranen eine Gefährdung für die Anlage dar.

Gründe für eine mögliche Zerstörung der Trennmembranen können Rißbildung durch Dauerwechselbeanspruchung und chemische Werkstoffabtragung durch das Meßmedium sein.

Gefährdungen der Anlage können einerseits dadurch entstehen, daß das Medium (Sauerstoff bzw. leicht entflammbare Medien) mit der Druckübertragungsflüssigkeit (Silikonöl) ein explosives Gemisch bildet, das unter hoher Druck- und Temperaturbeanspruchung, die z. B. durch einen Druckstoß in der Anlage auftreten kann, im Meßwerk gezündet wird.

Das kann ein Ausbrennen des Meßumformers und ein Übergreifen auf die gesamte Anlage zur Folge haben.

Andererseits kann im Falle der Zerstörung der Trennmembran das Medium den Meßumformer durchströmen und in den umgebenden Raum gelangen bzw. das Silikonöl wird durch die Meß leitung in die Folgeanlage geblasen. In jedem Fall entstehen hierbei hochexplosive Gemische, die eine Gefährdung für die gesamte Anlage darstellen.

Folgende Maßnahmen zur Gewährleistung der erhöhten Sicherheit bzw. der Verhinderung der genannten Schadensfälle sind bekannt.

— Zur Verringerung der Gefahr der Zerstörung wird die Dicke der Trennmembran erhöht. Nachteil dieser Lösung ist die Vergrößerung des Meßfehlers des Meßumformers, da durch eine wesentliche höhere Federkonstante der Trennmembran der Temperatur- und Hysteresefehler des Meßumformers vergrößert wird. Auch mit dickeren Trennmembranen läßt sich die Gefahr des Undichtwerdens, z. B. im Bereich der Schweißnaht, nicht vollständig ausschließen.

— Der Einsatz von nichtbrennbaren Druckübertragungsflüssigkeiten verhindert deren Entflammung beim Kontakt mit dem Medium (zerstörte Trennmembran) und hoher Druck- und Temperatureinwirkung. Es sind der Einsatz von Wasser und Flüssigkeiten auf Fluorbasis (z. B. Fluorolube) bekannt. Als Nachteil dieser Druckübertragungsflüssigkeiten ergeben sich die geringe Viskosität und damit die geringe Dämpfung von Druckstößen, bei Wasser der eingeschränkte Temperatureinsatzbereich > 0⁰C, die unzureichende elektrische Isolationsfestigkeit, und bei den Flüssigkeiten auf Fluorbasis der sehr hohe Preis.

— Dem Meßumformer vorgeschaltete Sicherheitsventile verhindern bei hoher Strömungsgeschwindigkeit des Mediums durch Schliessen das Durchströmen des Meßumformers. Diese hohen Strömungsgeschwindigkeiten können ebenfalls bei zerstgrterTrennmembran und einer Druckbelastung (Druckstoß) oberhalb der Übertragungsgrenze (zerstörtes Meßelement) des Meßumformers auftreten.

Neben dem relativ hohen Aufwand ist ein weiterer Nachteil die Zerstörung der mechanisch oder elektromechanisch arbeitenden Sicherheitsventile, in der z. B. die Übertragungsflüssigkeit schon in die Folgeanlage geblasen werden kann. — Die konstruktive Gestaltung des Meßwerkdeckels auf der Niederdruckseite wird derart ausgeführt, daß bei einer Zerstörung der Trennmembran auf der Hochdruckseite sich die Trennmembran auf der Niederdruckseite im Meßwerkdeckel anlegen kann, wie es in der PS GB 2031592 A beschrieben ist. Damit wird ein Durchströmen des Meßwerkes bzw. ein Herausblasen der Druckübertragungsflüssigkeit bei der Zerstörung der Membran auf der Hochdruckseite vermieden. Da aber dabei das Medium direkt auf die Druckübertragungsflüssigkeit trifft, kommt es bei hoher Druck-und Temperaturbelastung im Falle des Einsatzes von Silikonöl zur Entflammung. Auch diese Lösung erfordert eine nicht brennbare Druckübertragungsflüssigkeit (z. B. Fluorolube).

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, eine Druckaufnahmeeinheit in Meßumformern zu schaffen, die den Einsatz der sehr teuren Übertragungsflüssigkeit auf Fluorbasis vermeidet.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Druckaufnahmeeinheit in Meßumformern für Medien mit erhöhten Sicherheitsanforderungen zu schaffen, die durch geeignete konstruktive Maßnahmen den gefahrlosen Einsatz von Silikonöl gestattet, ohne daß sich die meßtechnischen Eigenschaften des Meßumformers wesentlich verschlechtern. Erfindungsgemäß wird das dadurch erreicht, daß als Trennmembran eine Doopellagentrennmembran eingesetzt wird, die aus jeweils zwei Lagen einer entsprechend dünnen Metallfolie besteht, zwischen denen sich eine den Reibwert beider Lagen aneinander herabsetzende Zwischenschicht oder -lage befindet. Die Ausdrehungen in den Meßwerkdeckeln sind so gestaltet, daß sich im Falle der Zerstörung einer Doppellagentrennmembran und des Druckwandlers die gegenüberliegende Doppellagentrennmembran ohne mechanische Zerstörung an den Meßwerkdeckel anliegt. Die Druckeinleitung des Mediums in die Meßkammer erfolgt über eine im Meßwerkdeckel vorgesehene Drosselstelle, die durch eine entsprechend dünne Bohrung realisiert wird. Ebenso ist eine Drosselstelle in der Form einer dünnen Bohrung im Membranträger vorgesehen, über die die Druckeinleitung in das Meßwerksinnere erfolgt.

In bevorzugter Ausführung besteht die genannte Zwischenschicht oder -lage aus MoIy bdändisulf id, das als Pulver in die Oberfläche der Trennmembran eingewalkt oder als Emulsion aufgesprüht wird. Ebenso kann die genannte Zwischenschicht oder-lage aus PTFE bestehen, daß als lose Folie zwischen die Metallmembran eingelegt ist oder mit dem dieiMembranoberfläche beschichtet wird.

Nach einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung werden die genannten Drosselstellen im Meßwerksdeckel und im Membranträger durch eine Bohrung von ca. 1 mm Durchmesser und einer Länge von mindestens 5mm gebildet. Die Längsachse der Drosselstelle im Meßwerksdeckel ist im wesentlichen 90°zu der Richtung der Druckeinleitung angeordnet.

Ausf Uhrungsbeispiel

Die Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Die dazugehörenden Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch einen Differenzdruckmeßumformer mit der erfindungsgemäßen Druckaufnahmeeinheit und der

Wandlereinheit Fig. 2 die vergrößert dargestellte Einzeleinheit Z aus Fig. 1

Figur 1 zeigt einen Differenzdruckmeßumformer mit der erfindungsgemäßen Druckaufnahmeeinheit, der den gefahrlosen Einsatz von Silikonöl als Druckubertragungsf lüssigkeit für Prozeßmedien, die erhöhte Sicherheitsanforderungen stellen, wie z. B. Sauerstoff, erlaubt. Das eigentliche Meßwerk 6 weist zwei mit Silikonöl gefüllte Druckkammern 1 und 2 auf, die voneinander durch einen relativ steifen Halbleiterdruckwandler 9 getrennt sind und nach außen, daß heißt gegenüber dem Prozeßmedium, durch je eine Trennmembran 7 abgeschlossen sind. Die Trennmembran 7, die der Druckübertragung dient und aus hochkorrosionsbeständigem Material, wie Edelstahl, Tantal usw., besteht, sollte eine möglichst geringe Federsteife besitzen, um das Meßverhalten des Meßumformers möglichst wenig zu beeinflussen. Um die erforderliche höhere .Sicherheit bei geringer Federsteife zu ermöglichen, besteht die Trennmembran 7 aus zwei Lagen, dünner Metallmembranen 11 und 12, zwischen denen sich eine den Reibwert der Membranen aneinander herabsetzende Zwischenlage 13 befindet. Dadurch wird gewährleistet, daß nach einer größeren Auslenkung der Trennmembran (Überlastung des Meßumformers) die Trennmembran besser in ihre exakte Ausgangslage zurückgeführt und damit der Hysteresefehler des Meßwerkes klein gehalten wird. Für diese Zwischenschicht oder-lage kommen Molybdändisulfid, das als Pulver in die Membranoberfläche eingewalkt oder als Emulsion aufgesprüht wird oder PTFE, mit dem die Membranoberfläche beschichtet oder das als lose Folie eingelegt wird, in Frage. Diese Zwischenschicht wirkt zusätzlich als Temperaturisolationsschicht und schränkt starke Temperaturschwankungen des Mediums in ihrer negativen Wirkung auf das Meßverhalten des Meßumformers ein, so daß sich der Temperaturfehler verringert. Beide Meßwerksdeckel 3 sind auf ihrer der Trennmembran 7 zugewandten Seite mit Ausdrehungen 14 versehen, die so gestaltet sind, daß sich im Falle der Zerstörung einer Trennmembran 7 und des Druckwandlers 9 die gegenüberliegende Trennmembran ohne mechanische Zerstörung an den Meßwerksdeckel anlegt. Dadurch wird ein Durchströmen des Meßumformers durch das Prozeßmedium und das Ausblasen des Silikonöls in die Folgeanlage vermieden. Dte Druckeinleitung in die Meßkammer 15 (Raum zwischen Meßwerksdeckel und Trennmembran) erfolgt über eine Drosselstelle 4 im Meßwerksdeckel, die durch eine Bohrung von etwa 1 mm Durchmesserund mindestens 5 mm Länge gebildet wird. Diese Drosselstelle 4 ist vorteilhafterweise senkrecht zu der Achse des Meßleitungsanschlusses 5 ausgeführt.

Mit dieser Drosselung und Ablenkung des Mediendruckes werden Druckstöße, die in der Anlage auftreten können, stark abgebaut und die Gefahr der Entflammung des Silikonöls bei zerstörter Trennmembran wesentlich vermindert. Die Doppellagentrennmembranen 7 sind auf einen Membranträger 16 aufgeschweißt, der ein profiliertes Membranbett 10 aufweist, an das sich die Trennmembranen im Überlastfall anlegen, und den Druckwandler 9 in Verbindung mit einer nicht dargestellten Überlastschutzeinrichtung vor einer mechanischen Überlastung schützen. In dem Membranträger 16 ist ebenfalls eine Drosselstelle 8, ausgeführt als eine Bohrung von etwa 1mm Durchmesser und mindestens 5 mm Länge, vorgesehen, die im Fall der Zerstörung derTrennmembran 7 einen nur sehr geringen Teil des Silikonölvolumens des Merkwerkes in die Meßkammer 15 austreten und mit dem Prozeßmedium in Kontakt kommen läßt. Kommt es jetzt in der Meßkammer durch hohe Druck- und Temperatureinwirkung zu einer Entzündung dieser geringen Silikonölmenge, dann erfolgt nur ein in der Meßkammer begrenzter örtlicher Ausbrennvorgang, der sich nicht in das Meßwerksinnere fortsetzt und nach dem Verbrennen des wenigen ausgelaufenen Silikonöls sofort beendet ist und damit keine Gefährdung darstellt. Der experimentelle Nachweis der technischen Sicherheit der beschriebenen konstruktiven Maßnahmen konnte für das Prozeßmedium Sauerstoff für die Einsatzgrenzen Druck ρ = JOMPa, Temperatur θ = 60⁰C erbracht werden. Bei extremen Versuchsbedingungen (Simulation des Havariezustandes durch Zerstörung der Trennmembran und eines Druckstoßes in der Anlage) kam es zu keiner Verbrennungsreaktion. Erst durch eine Initialzündung konnte eine Verbrennungsreaktion begrenzt auf die Meßkammer mit Verbrennungsrückständen des Silikonöls und einer Temperaturerhöhung der Meßwerksteile um 1 Grad festgestellt werden.

Claims (5)

1. Patentansprüche:

   1. Druckaufnahmeeinheit in Meßumformern für Medien mit erhöhten Sicherheitsanforderungen insbesondere für Sauerstoff mit zwei Druckkammern, die nach außen zum Meßmedium hindurch je eine Trennmembran abgeschlossen sind und die im Inneren des Meßumformers durch eine Trennwand voneinander getrennt sind, wobei ein relativ steifer Druckwandler Bestandteil dieser Trennwand ist und mit zwei Druckeinleitungsmittel enthaltene Meßwerksdeckel, die Ausdrehungen aufweisen, die mit den Trennmembranen die Meßkammern bilden, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Druckkammern (1,2) mit Silikonöl als Druckübertragungsflüssigkeit gefüllt sind, daß als Trennmembran eine Doppellagentrennmembran (7) eingesetzt wird, die aus jeweils zwei Lagen einer entsprechend dünnen Metallfolie (11,12) besteht, daß sich zwischen den beiden Lagen der Doppellagentrennmembran eine den Reibwert beider Lagen aneinander herabsetzende Zwischenschicht oder -lage (13) befindet, daß die Ausdrehungen (14) in den Meßwerksdeckeln (3) so gestaltet sind, daß sich im Falle der Zerstörung einer Doppellagentrennmembram (7) und des Druckwandlers (9) die gegenüberliegende Doppellagentrennmembran (7) ohne mechanische Zerstörung an den Meßwerksdeckel anlegt, daß die Druckeinleitung des Mediums in die Meßkammer (15) im Meßwerksdeckel (3) über eine Drosselstelle (4) in Form einer entsprechend dünnen Bohrung erfolgt und daß die Druckeinleitung von der Doppellagentrennmembran in das Meßwerksinnere ebenfalls über eine im Membranträger (16) vorgesehene Drosselstelle (8) in Form einer dünnen Bohrung erfolgt.
2. 2. Druckaufnahmeeinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht oder -lage aus Molybdändisulfid besteht, das als Pulver in die Membranoberfläche eingewalkt oder als Emulsion aufgesprüht wird.
3. 3. Druckaufnatimeeinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht oder -lage aus PTFE besteht, mit dem die Membranoberfläche beschichtet ist, oder das als lose Folie zwischen die Metallmembranen (11,12) eingelegt ist.
4. 4. Druckaufnahmeeinheit nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Drosselstellen im Meßwerksdeckel und im Membranträger aus einer Bohrung von ca. 1 mm Durchmesser und einer Länge von mindestens 5 mm bestehen.
5. 5. Druckaufnahmeeinheit nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsachse der Bohrung im Meßwerksdeckel im wesentlichen 90° zu der Richtung der Druckeinleitung angeordnet ist.